專利名稱：高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的低氣動(dòng)噪聲優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種降低鐵路車輛頭部氣動(dòng)噪聲的方法，特別涉及一種通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線，從而降低其氣動(dòng)噪聲的方法。

背景技術(shù)：
當(dāng)列車高速行駛時(shí)，在車身及外形變化較劇烈的部位，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的分離流動(dòng)，流動(dòng)中的渦流和湍流相互作用，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的空氣脈動(dòng)壓力場(chǎng)，車外脈動(dòng)壓力場(chǎng)及其誘發(fā)的車外氣動(dòng)噪聲，是形成列車氣動(dòng)噪聲的直接原因。研究表明氣動(dòng)噪聲約和運(yùn)行速度的6次方成正比，當(dāng)車速高于200km/h時(shí)，氣動(dòng)噪聲已成為列車的主要噪聲源之一，因此研究和降低氣動(dòng)噪聲已成為控制高速列車噪聲的關(guān)鍵。
關(guān)于高速列車氣動(dòng)噪聲，目前正處于逐漸把握其特性的階段，Mellet通過(guò)歸納總結(jié)一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，定量研究了高速列車的車外氣動(dòng)噪聲和輪軌噪聲，但未能涉及氣動(dòng)噪聲或輪軌噪聲對(duì)列車總噪聲的貢獻(xiàn)；Kitagawam、Ito研究了新干線高速列車氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生原因；Nagakura利用新干線高速列車1/5縮尺模型，通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了高速列車的氣動(dòng)噪聲源；Moritoh提出了控制新干線高速列車氣動(dòng)噪聲的方法；Kishimoto用數(shù)值方法估算了車外脈動(dòng)壓力的分布，并對(duì)車外聲場(chǎng)進(jìn)行了理論分析；Sassa通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值兩方面的研究，提出了如下結(jié)論，氣動(dòng)噪聲的能量主要集中在中低頻率上，且不同風(fēng)速對(duì)應(yīng)一個(gè)不同頻帶，在這個(gè)頻帶上集中了大部分聲能；Holmes利用統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)高速列車導(dǎo)流罩引起的噪聲進(jìn)行了預(yù)測(cè)；Iwamoto、Ikeda將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論分析相結(jié)合，提出了改善受電弓氣動(dòng)噪聲的設(shè)計(jì)方案；Fremion、Frid利用低噪聲風(fēng)洞，分別對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架、裙板及格柵輻射的空氣動(dòng)力噪聲進(jìn)行了研究。
雖然進(jìn)行了上述大量的研究實(shí)驗(yàn)，但人們對(duì)車體結(jié)構(gòu)跟氣動(dòng)噪聲的定量關(guān)系，尚不太清楚，依據(jù)人們目前的經(jīng)驗(yàn)，采取流線型車體結(jié)構(gòu)，減小車輛表面的凹凸和棱角臺(tái)階，可以降低氣動(dòng)噪聲，但也只是停留在定性認(rèn)識(shí)階段。
對(duì)高速列車頭部形狀的控制主要是通過(guò)外形控制參數(shù)與主控制型線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中外形控制參數(shù)包括車體流線型頭部的長(zhǎng)度、寬度、高度、傾斜度等，其主控制型線包括縱向?qū)ΨQ面最大控制型線、俯視最大控制型線和車體截面外廓型線。要設(shè)計(jì)低氣動(dòng)噪聲流線型頭部，就要使列車頭部形狀的控制參數(shù)與主控制型線最佳化。因?yàn)榱熊囶^部縱向?qū)ΨQ面型線是決定頭車整個(gè)外形走勢(shì)的基本型線，所以對(duì)于縱向?qū)ΨQ面型線的設(shè)計(jì)就是其中的關(guān)鍵部分。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要目的在于解決上述問(wèn)題和不足，提供一種高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的低氣動(dòng)噪聲優(yōu)化方法，通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算方法就可以精確確定縱向?qū)ΨQ面型線上型值點(diǎn)的最佳位置，從而使高速列車頭部的氣動(dòng)噪聲降到最低，同時(shí)還可以降低設(shè)計(jì)成本及制造成本。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，所述的高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的低氣動(dòng)噪聲優(yōu)化方法，包括以下步驟； 步驟A、運(yùn)用三次NURBS(非均勻有理B樣條Non-Uniform Rational B-Spline)曲線參數(shù)化造型方法得到列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的參數(shù)化造型。
根據(jù)列車頭部的長(zhǎng)度、高度，確定縱面對(duì)稱面型線的首、末端點(diǎn)A、B，所述首端點(diǎn)A的切失垂直向上，所述末端點(diǎn)B的切失水平向右，再確定若干個(gè)中間點(diǎn)

給定所述縱向?qū)ΨQ面型線上首、末端點(diǎn)A、B對(duì)應(yīng)的首、末型值點(diǎn)r0，rn，中間型值點(diǎn)r1，r2，...，
用三次NURBS曲線參數(shù)化造型方法得到縱向?qū)ΨQ面型線的參數(shù)化造型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
其中，r(u)為縱向?qū)ΨQ面型線，u為參數(shù)，

為控制節(jié)點(diǎn)，

為控制節(jié)點(diǎn)Vi的權(quán)因子，Ni，3(u)是由節(jié)點(diǎn)矢量

決定的3次規(guī)范B樣條基函數(shù)。
將上述型值點(diǎn)

作為被插值型線的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行反算，得到控制節(jié)點(diǎn)

從而得到列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的關(guān)鍵部分
步驟B、計(jì)算各型值點(diǎn)ri處的脈動(dòng)壓力級(jí)及總脈動(dòng)壓力級(jí)Li，并與幾何形狀的調(diào)整進(jìn)行關(guān)聯(lián)。
取所述縱向?qū)ΨQ面型線及周圍流場(chǎng)建立二維模型，進(jìn)行二維大渦模擬計(jì)算，并將所述型值點(diǎn)

作為脈動(dòng)壓力的監(jiān)控點(diǎn)，得出型值點(diǎn)ri處脈動(dòng)壓力pi(t)的時(shí)間歷程，通過(guò)離散傅立葉變換變換將脈動(dòng)壓力pi(t)由時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，得出型值點(diǎn)ri在頻率

處的脈動(dòng)壓力

再將脈動(dòng)壓力

轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)壓力級(jí)，最后將各個(gè)頻率的脈動(dòng)壓力級(jí)Lij迭加起來(lái)，得到型值點(diǎn)ri處的總脈動(dòng)壓力級(jí)Li。
步驟C、通過(guò)流場(chǎng)計(jì)算程序與優(yōu)化程序反復(fù)調(diào)整縱向?qū)ΨQ面型線，從而確定縱向?qū)ΨQ面型線上型值點(diǎn)的最佳位置。
將各型值點(diǎn)處的總脈動(dòng)壓力級(jí)

統(tǒng)一表示成矩陣L，

以其最大元素Lmax作為目標(biāo)函數(shù)，以中間型值點(diǎn)的坐標(biāo)


為設(shè)計(jì)變量，則縱向?qū)ΨQ型線的優(yōu)化程序應(yīng)滿足如下數(shù)學(xué)表達(dá)式



綜上內(nèi)容，列車的頭部縱向?qū)ΨQ面型線是決定頭車整個(gè)外形走勢(shì)的基本型線，其中型線上包含在鼻錐點(diǎn)A與車頭向車身過(guò)渡點(diǎn)B之間的部分

是型線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵的部分，本發(fā)明所提供的高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的低氣動(dòng)噪聲優(yōu)化方法，就是關(guān)于這部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，它通過(guò)運(yùn)用NURBS方法對(duì)高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線進(jìn)行參數(shù)化造型、CFD(Computer Fluid Dynamics)數(shù)值計(jì)算，組合優(yōu)化算法，將型線氣動(dòng)性能參數(shù)的變化與幾何形狀的調(diào)整進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過(guò)流場(chǎng)計(jì)算程序與優(yōu)化程序反復(fù)調(diào)整型線，最終精確確定縱向?qū)ΨQ面型線上型值點(diǎn)的最佳位置，以使列車頭部的氣動(dòng)噪聲降低最低，從而消除或減少鐵路噪聲對(duì)鐵路沿線居民的影響，提高鐵路客車司乘人員的舒適性。
目前高速列車氣動(dòng)噪聲控制還是采取設(shè)計(jì)-實(shí)驗(yàn)-改進(jìn)設(shè)計(jì)-再實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維模式，這勢(shì)必加大設(shè)計(jì)、制造人員的工作量，增加物資損耗，提高鐵路客車噪聲控制成本，影響鐵路客車生產(chǎn)進(jìn)程。采用本優(yōu)化方法，使高速列車氣動(dòng)噪聲流程變?yōu)樵O(shè)計(jì)-優(yōu)化-實(shí)驗(yàn)，這將有效改變高速列車設(shè)計(jì)中采取保守、被動(dòng)降噪措施的現(xiàn)狀，從而降低高速列車氣動(dòng)噪聲控制的設(shè)計(jì)、制造成本，加快高速列車的生產(chǎn)進(jìn)程，使鐵路客車的噪聲控制變得更科學(xué)。



圖1本發(fā)明方法中頭部縱向?qū)ΨQ面型線待優(yōu)化的部分及坐標(biāo)系 圖2本發(fā)明方法中組合優(yōu)化流程圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述 如圖1至圖2所示，所述高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的低氣動(dòng)噪聲優(yōu)化方法，包括以下三個(gè)步驟 步驟A運(yùn)用三次NURBS(非均勻有理B樣條Non-Uniform Rational B-Spline)曲線參數(shù)化造型方法得到列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的參數(shù)化造型。
如圖1所示，根據(jù)列車頭部的長(zhǎng)度、高度，可確定縱向?qū)ΨQ面型線

的首、末端點(diǎn)A、B，為保障型線

A、B兩端點(diǎn)之間的部分向其它部分平滑過(guò)渡，端A的切矢垂直向上，端B的切矢水平向右，其型線

上中間點(diǎn)的位置和數(shù)量根據(jù)擬采取的列車頭型形狀(單拱還是雙拱)、司機(jī)室設(shè)備布置、司機(jī)室前窗位置、安裝高度、安裝傾角確定，若列車長(zhǎng)度和高度不變，則端點(diǎn)A、B固定不動(dòng)，中間點(diǎn)的位置和數(shù)量可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。
為了使列車頭部在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲最小，需要將型線氣動(dòng)性能參數(shù)的變化與幾何形狀的調(diào)整進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過(guò)流場(chǎng)計(jì)算程序與優(yōu)化程序反復(fù)調(diào)整型線，以達(dá)到氣動(dòng)噪聲最小化的目的。因此采用控制變量少，控制靈活的三次NURBS曲線參數(shù)化造型方法來(lái)描述縱向?qū)ΨQ面型線也就很關(guān)鍵。
在描述列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線時(shí)，用三次NURBS方法，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下
在上式中

為控制節(jié)點(diǎn)，

為控制點(diǎn)Vi的權(quán)因子，Ni，3(u)是由節(jié)點(diǎn)矢量

決定的3次規(guī)范B樣條基函數(shù)，其采用如下的de Boor-Cox遞推公式進(jìn)行定義


B樣條基Ni，k(u)的第一個(gè)下標(biāo)表示i表示序號(hào)，第一個(gè)下標(biāo)表示k表示基函數(shù)的次數(shù)。
在縱向?qū)ΨQ面型線的設(shè)計(jì)中，給定的是型線上首、末端點(diǎn)A、B對(duì)應(yīng)的首、末型值點(diǎn)r0、rn，中間型值點(diǎn)r1、r2、...、

及A、B點(diǎn)的切矢，這就需要反算出曲線的控制節(jié)點(diǎn)作為曲線設(shè)計(jì)的初始控制節(jié)點(diǎn)。(此處

是矢量，若ri點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)分別為xi、yi，則

)為此需要將型值點(diǎn)作為被插值型線的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行反算，其反算過(guò)程是使型值點(diǎn)

依次與三次NURBS曲線定義域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。
三次NURBS插值曲線由

個(gè)控制節(jié)點(diǎn)

定義，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)矢量為

為確定與型值點(diǎn)ri相對(duì)應(yīng)的參數(shù)值

對(duì)型值點(diǎn)采用積累弦長(zhǎng)參數(shù)化法進(jìn)行參數(shù)化處理如下
給定的

個(gè)型值點(diǎn)

和相應(yīng)的權(quán)因子

使其滿足以下三次NURBS曲線方程
方程組(2)中包含n+3個(gè)未知控制頂點(diǎn)。要求得n+3個(gè)未知控制頂點(diǎn)，需根據(jù)A點(diǎn)的切矢(垂直向上)和B點(diǎn)的切矢(水平向右)補(bǔ)充如下兩個(gè)附加方程

求解(2)和(3)組成的n+3個(gè)方程組成的方程組，可得全部未知控制點(diǎn)

將Vi代入方程(1)，即求得通過(guò)

個(gè)型值點(diǎn)

的三次NURBS曲線。
通過(guò)上述步驟完成了對(duì)稱面控制型線的構(gòu)造，并且可通過(guò)改變型值點(diǎn)的位置使對(duì)稱面型線改變，因而可將型值點(diǎn)作為設(shè)計(jì)變量，來(lái)對(duì)對(duì)稱面控制型線進(jìn)行低氣動(dòng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)。
步驟B計(jì)算各型值點(diǎn)ri處的脈動(dòng)壓力級(jí)及脈動(dòng)壓力級(jí)Li，并與幾何形狀的調(diào)整進(jìn)行關(guān)聯(lián)。
在評(píng)價(jià)高速列車對(duì)周圍環(huán)境的影響時(shí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)通常涉及遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲，然而遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲包含所有噪聲源的貢獻(xiàn)，因而通過(guò)計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲，得出高速列車表面形狀對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲的影響規(guī)律，從而采取能降低遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲的外形設(shè)計(jì)方案，是非常困難的。然而，在低馬赫數(shù)下(車速達(dá)300km/h時(shí)，其馬赫數(shù)也僅為0.245)，高速列車表面脈動(dòng)壓力(聲學(xué)上稱為贗聲)是氣動(dòng)噪聲的源，且氣動(dòng)噪聲的聲功率與作用在車表面的脈動(dòng)壓力的平方成正比，控制列車表面的脈動(dòng)壓力，就可以降低遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲。因此，在設(shè)計(jì)高速列車縱向?qū)ΨQ面型線時(shí)，用大渦模擬(Large Eddysimulation，簡(jiǎn)稱LES)法計(jì)算出高速列車的瞬態(tài)外流場(chǎng)，得出縱向?qū)ΨQ面型線對(duì)表面脈動(dòng)壓力的影響規(guī)律，然后采取措施，改變縱向?qū)ΨQ面型線的形狀，降低表面的脈動(dòng)壓力級(jí)，是控制其誘發(fā)氣流噪聲的有效手段。
如圖2所示，由于型值點(diǎn)的曲率一般大于其它點(diǎn)，因而型值點(diǎn)處誘發(fā)的氣流噪聲一般較其它點(diǎn)大，在優(yōu)化中只需將型值點(diǎn)

作為脈動(dòng)壓力的監(jiān)控點(diǎn)，取所述縱向?qū)ΨQ面型線及周圍流場(chǎng)建立二維模型，進(jìn)行二維大渦模擬計(jì)算，得出型值點(diǎn)ri處脈動(dòng)壓力pi(t)的時(shí)間歷程，通過(guò)離散傅立葉變換變換將脈動(dòng)壓力pi(t)由時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，得出型值點(diǎn)ri在頻率

處的脈動(dòng)壓力


為脈動(dòng)壓力的頻率上限。通過(guò)公式

將脈動(dòng)壓力

轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)壓力級(jí)，p0為基準(zhǔn)壓力，p0＝2×10-5Pa。最后將各個(gè)頻率的脈動(dòng)壓力級(jí)Lij迭加起來(lái)，得到型值點(diǎn)ri處的總脈動(dòng)壓力級(jí)Li。迭加公式應(yīng)用下式
在計(jì)算縱向?qū)ΨQ面型線產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力時(shí)，采用經(jīng)空間濾波后，流體流動(dòng)的連續(xù)方程及動(dòng)量方程

在上式中(-)表示按空間濾波，

表示流體的密度，t表示時(shí)間，p表示壓力，ui，uj分別表示過(guò)濾后的速度分量，

為湍流粘性系數(shù)，

為亞格子尺度應(yīng)力，

它體現(xiàn)了小尺度渦對(duì)運(yùn)動(dòng)方程的影響。
為使方程(4)、(5)封閉，用Smagorinsky的基本亞格子尺度(SGS)模型來(lái)構(gòu)造

的數(shù)學(xué)表達(dá)式
在上式中

為亞格子尺度的湍動(dòng)粘度，Sij是變形速率張量，
取縱向?qū)ΨQ面型線及周圍流場(chǎng)建立二維模型，計(jì)算邊界條件設(shè)置如下 入口在入口截面上首先指定流體流動(dòng)狀態(tài)為亞音速狀態(tài)，來(lái)流方向垂直于入口截面，按均勻流給定速度u大小。
出口在出口截面上同樣指定流體流動(dòng)狀態(tài)為亞音速狀態(tài)，且出口截面靜壓相對(duì)于參考大氣壓為0。
流域上、下底面按光滑壁面處理，給定無(wú)滑移邊界條件。
利用流體力學(xué)軟件fluent作為平臺(tái)，選取縱向?qū)ΨQ面型線上的型值點(diǎn)

作為脈動(dòng)壓力的監(jiān)控點(diǎn)，進(jìn)行二維大渦模擬計(jì)算，將計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為0.0001秒，每一步記錄一組數(shù)據(jù)。為減少LES模型的計(jì)算時(shí)間，在計(jì)算中先用

模型計(jì)算流體壓力一個(gè)定常初值，然后再改用LES模型計(jì)算非定常的流動(dòng)狀態(tài)。
步驟C通過(guò)流場(chǎng)計(jì)算程序與優(yōu)化程序反復(fù)調(diào)整縱向?qū)ΨQ面型線，從而確定縱向?qū)ΨQ面型線上型值點(diǎn)的最佳位置。
將由步驟B中得出的各型值點(diǎn)處的總脈動(dòng)壓力級(jí)

統(tǒng)一表示成矩陣L，

以其最大元素Lmax作為目標(biāo)函數(shù)，以中間型值點(diǎn)的坐標(biāo)


為設(shè)計(jì)變量，則縱向?qū)ΨQ型線低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為



從圖2中可以看出在優(yōu)化計(jì)算中，iSIGHT集成優(yōu)化平臺(tái)給定設(shè)計(jì)變量的值，形成造型系統(tǒng)的輸入文件，經(jīng)過(guò)開發(fā)的對(duì)稱面曲線造型文件，及網(wǎng)格生成文件，生成相應(yīng)的對(duì)稱面型線，及流場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格，然后將其輸入給Fluent進(jìn)行二維大渦模擬計(jì)算，得到各型值點(diǎn)總的脈動(dòng)壓力級(jí)，再將其返回給iSIGHT，由iSIGHT進(jìn)行評(píng)價(jià)，并完成一個(gè)計(jì)算步，如此循環(huán)下去，可求得設(shè)計(jì)空間中的最優(yōu)點(diǎn)。
從圖2中還可看出，iSIGHT集成優(yōu)化平臺(tái)應(yīng)用的是探索式算法(包括試驗(yàn)設(shè)計(jì)和遺傳算法)和數(shù)值式算法(序列二次規(guī)劃)相組合的優(yōu)化策略。探索式算法對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行大范圍搜索，數(shù)值式算法對(duì)局部進(jìn)行精確搜索，因而所使用的優(yōu)化策略具有高效率、高精度和全局性的優(yōu)點(diǎn)。第1步運(yùn)用參數(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法(Design ofExperiment，簡(jiǎn)稱DOE)，對(duì)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行初步掃描，以較少的試驗(yàn)次數(shù)得到設(shè)計(jì)空間近似的變化規(guī)律。設(shè)計(jì)變量取

個(gè)型值點(diǎn)的縱、橫坐標(biāo)，共

個(gè)變量，每個(gè)變量選取30個(gè)水平，生成

個(gè)設(shè)計(jì)因子，對(duì)各設(shè)計(jì)因子的顯著性進(jìn)行分析，篩選出對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響最顯著的若干個(gè)變量作為設(shè)計(jì)變量，以減小優(yōu)化問(wèn)題的規(guī)模；第2步利用遺傳算法(Genetic Algorithm，簡(jiǎn)稱GA)的全局尋優(yōu)能力對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行有重點(diǎn)地探索，使可能出現(xiàn)最優(yōu)解的區(qū)域產(chǎn)生較多的設(shè)計(jì)點(diǎn)，而在不大可能出現(xiàn)最優(yōu)解的區(qū)域則只保留較少的設(shè)計(jì)點(diǎn)，從而得到整個(gè)設(shè)計(jì)空間的大致性狀，為其后基于梯度信息的搜索算法-序列二次規(guī)劃法(Sequential Quadraticprogramming，簡(jiǎn)稱SQP)提供較好的起點(diǎn)；第3步利用SQP算法對(duì)模型作局部梯度搜索，在模型上得到最優(yōu)值后，用CFD(Computer Fluid Dynamics)數(shù)值計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，如果目標(biāo)函數(shù)一致，則計(jì)算收斂，得到最終需要的最優(yōu)點(diǎn)，如果不一致，則用這一組數(shù)據(jù)更新模型，并重新用組合優(yōu)化算法進(jìn)行搜索，依此類推，直到計(jì)算收斂，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)

以ri作為型值點(diǎn)，就可設(shè)計(jì)出低氣動(dòng)噪聲列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線。
采用與本發(fā)明完全類似的方法，可以完成高速列車俯視最大控制型線和車體截面外廓型線低氣動(dòng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)。將本發(fā)明擴(kuò)展到三維，即將對(duì)稱面型線擴(kuò)展為車頭曲面，在流體數(shù)值計(jì)算中采用三維大渦模擬，則應(yīng)用擴(kuò)展的方法可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)車頭曲面的低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)。
另外，將脈動(dòng)壓力作為車廂壁板振動(dòng)的激勵(lì)源，對(duì)司機(jī)室或乘客室進(jìn)行噪聲計(jì)算，則可以得出司機(jī)室或乘客室的氣動(dòng)噪聲水平，以此為基礎(chǔ)，對(duì)車廂壁板進(jìn)行貢獻(xiàn)度分析，則可以得出各車廂壁板對(duì)車內(nèi)氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)，為在噪聲貢獻(xiàn)度大的單元上采取吸聲、隔聲、阻尼降噪策略提供依據(jù)。
如上所述，結(jié)合附圖和實(shí)施例所給出的方案內(nèi)容，可以衍生出類似的技術(shù)方案。但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的低氣動(dòng)噪聲優(yōu)化方法，其特征在于包括以下步驟，
步驟A、運(yùn)用三次NURBS曲線參數(shù)化造型方法得到列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的參數(shù)化造型；
根據(jù)列車頭部的長(zhǎng)度、高度，確定縱面對(duì)稱面型線的首、末端點(diǎn)(A、B)，所述首端點(diǎn)(A)的切失垂直向上，所述末端點(diǎn)(B)的切失水平向右，再確定若干個(gè)中間點(diǎn)
給定所述縱向?qū)ΨQ面型線上首、末端點(diǎn)(A、B)對(duì)應(yīng)的首、末型值點(diǎn)(r0，rn)，中間型值點(diǎn)
用三次NURBS曲線參數(shù)化造型方法得到縱向?qū)ΨQ面型線的參數(shù)化造型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為，
其中，r(u)為縱向?qū)ΨQ面型線，u為參數(shù)，
為控制節(jié)點(diǎn)，
為控制節(jié)點(diǎn)Vi的權(quán)因子，Ni，3(u)是由節(jié)點(diǎn)矢量
決定的3次規(guī)范B樣條基函數(shù)；
將上述型值點(diǎn)
作為被插值型線的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行反算，得到控制節(jié)點(diǎn)
，從而得到列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的關(guān)鍵部分(
)；
步驟B、計(jì)算各型值點(diǎn)(ri)處的脈動(dòng)壓力級(jí)及總脈動(dòng)壓力級(jí)(Li)，并與幾何形狀的調(diào)整進(jìn)行關(guān)聯(lián)；
取所述縱向?qū)ΨQ面型線及周圍流場(chǎng)建立二維模型，進(jìn)行二維大渦模擬計(jì)算，并將所述型值點(diǎn)
作為脈動(dòng)壓力的監(jiān)控點(diǎn)，得出型值點(diǎn)(ri)處脈動(dòng)壓力(pi(t))的時(shí)間歷程，通過(guò)離散傅立葉變換變換將脈動(dòng)壓力(pi(t))由時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，得出型值點(diǎn)(ri)在頻率
處的脈動(dòng)壓力
再將脈動(dòng)壓力
轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)壓力級(jí)，最后將各個(gè)頻率的脈動(dòng)壓力級(jí)(Lij)迭加起來(lái)，得到型值點(diǎn)(ri)處的總脈動(dòng)壓力級(jí)(Li)；
步驟C、通過(guò)流場(chǎng)計(jì)算程序與優(yōu)化程序反復(fù)調(diào)整縱向?qū)ΨQ面型線，從而確定縱向?qū)ΨQ面型線上型值點(diǎn)的最佳位置；
將各型值點(diǎn)處的總脈動(dòng)壓力級(jí)
統(tǒng)一表示成矩陣(L)，
以其最大元素(Lmax)作為目標(biāo)函數(shù)，以中間型值點(diǎn)的坐標(biāo)(xi，yi)
為設(shè)計(jì)變量，則縱向?qū)ΨQ型線的優(yōu)化程序應(yīng)滿足如下數(shù)學(xué)表達(dá)式，
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的低氣動(dòng)噪聲優(yōu)化方法，其特征在于在所述步驟A中，描述縱向?qū)ΨQ面型線時(shí)，所述的Ni，3(u)是采用如下的de Boor-Cox遞推公式進(jìn)行定義，
其中，B樣條基Ni，k(u)的第一個(gè)下標(biāo)i表示序號(hào)，第二個(gè)下標(biāo)k表示基函數(shù)的次數(shù)(k取1、2、3，進(jìn)行遞推)。ui為節(jié)點(diǎn)，由其形成節(jié)點(diǎn)矢量
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的低氣動(dòng)噪聲優(yōu)化方法，其特征在于所述的三次NURBS插值曲線由
個(gè)控制節(jié)點(diǎn)
定義，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)矢量為
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的低氣動(dòng)噪聲優(yōu)化方法，其特征在于所述的型值點(diǎn)
相對(duì)應(yīng)的參數(shù)值
采用積累弦長(zhǎng)參數(shù)化法進(jìn)行參數(shù)化處理，表達(dá)式如下，
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的低氣動(dòng)噪聲優(yōu)化方法，其特征在于給定
個(gè)型值點(diǎn)
和相應(yīng)的權(quán)因子
使其滿足三次NURBS曲線方程，
再由縱面對(duì)稱面型線的首、末端點(diǎn)(A、B)的兩個(gè)切矢邊界條件補(bǔ)充給定如下附加方程，
求解上述方程(2)和方程(3)組成的n+3個(gè)方程組成的方程組，可得全部未知控制點(diǎn)
將Vi代入所述方程(1)，即求得過(guò)
個(gè)型值點(diǎn)
的三次NURBS曲線。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的低氣動(dòng)噪聲優(yōu)化方法，其特征在于在所述步驟B中，在計(jì)算所述縱向?qū)ΨQ面型線產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力時(shí)，采用經(jīng)空間濾波后，流體流動(dòng)的連續(xù)方程及動(dòng)量方程，
其中，(-)表示按空間濾波，
表示流體密度，t表示時(shí)間，p表示脈動(dòng)壓力，ui，uj分別表示過(guò)濾后的速度分量，
為湍流粘性系數(shù)，
為亞格子尺度應(yīng)力，
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的低氣動(dòng)噪聲優(yōu)化方法，其特征在于為使所述方程(4)、(5)封閉，用Smagorinsky的基本亞格子尺度模型來(lái)構(gòu)造
的數(shù)學(xué)表達(dá)式，
其中，
為亞格子尺度的湍動(dòng)粘度，Sij是變形速率張量，
8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的低氣動(dòng)噪聲優(yōu)化方法，其特征在于在所述步驟B中，將所述型值點(diǎn)(ri)在頻率
處的脈動(dòng)壓力
轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)壓力級(jí)，是通過(guò)如下公式實(shí)現(xiàn)的，
其中，p0為基準(zhǔn)壓力，p0＝2×10-5Pa。
9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的低氣動(dòng)噪聲優(yōu)化方法，其特征在于在所述步驟B中，所述的各型值點(diǎn)(ri)處的總脈動(dòng)壓力級(jí)(Lij)的迭加公式為，
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線的低氣動(dòng)噪聲優(yōu)化方法，列車的頭部縱向?qū)ΨQ面型線是決定頭車整個(gè)外形走勢(shì)的基本型線，其中型線上包含在鼻錐點(diǎn)A與車頭向車身過(guò)渡點(diǎn)B之間的部分是型線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵的部分，本發(fā)明就是關(guān)于這部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，它通過(guò)運(yùn)用NURBS曲線對(duì)高速列車頭部縱向?qū)ΨQ面型線進(jìn)行參數(shù)化造型、CFD數(shù)值計(jì)算，組合優(yōu)化算法，將型線氣動(dòng)性能參數(shù)的變化與幾何形狀的的調(diào)整進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過(guò)流場(chǎng)計(jì)算程序與優(yōu)化程序反復(fù)調(diào)整型線，從而精確確定縱向?qū)ΨQ面型線上型值點(diǎn)的最佳位置，以使列車頭部的氣動(dòng)噪聲降低最低，同時(shí)可以降低高速列車氣動(dòng)噪聲控制的設(shè)計(jì)、制造成本，加快高速列車的生產(chǎn)進(jìn)程，使鐵路客車的噪聲控制變得更科學(xué)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101354729SQ20071013075
公開日2009年1月28日 申請(qǐng)日期2007年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月23日
發(fā)明者肖友剛, 洪 張, 陳燕榮, 張光偉 申請(qǐng)人:南車四方機(jī)車車輛股份有限公司